公路排水设计中的土工合成材料应用技术

公路排水设计中的土工合成材料应用技术刘建华1,2,郭忠印1,丁志勇3,方路31同济大学交通运输工程学院,上海2000922广州西二环高速公路有限公司,广东广州5108003贵州省交通规划勘察设计研究院,贵州贵阳550001摘要对土工合成材料在地下排水、支挡结构物排水、路面中央分隔带及边缘排水、边坡排水等工程中的典型应用方式进行了总结选择具有代表性的几种土工合成材料进行了大量的室内试验,着重研究了土工防排水材料的物理特性、水力学性能及力学性能,并对关键性能指标的测试方法进行了验证性研究,针对目前存在的问题提出了新的方法和指标基于本次研究内容,并结合国内外相关成果,系统地提出了土工合成材料在公路排水设施中的新的设计标准与方法,同时建立了土工防排水材料应用技术分类方法关键词道路工程土工合成材料排水室内试验设计标准中图分类号U4143文献标识码A文章编号0253374X200604048406APPLIEDTECHNOLOGYOFGEOSYNTHETICSFORDRAINAGEDESIGNINHIGHWAYENGINEERING1,2133LIUJIANHUA,GUOZHONGYIN,DINGZHIYONG,FANGLU1SCHOOLOFTRANSPORTATIONANDTRAFFICENGINEERING,TONGJIUNIVERSITY,SHANGHAI200092,CHINA2GUANGZHOUXIERHUANEXPRESSWAYCOLTD,GUANGZHOU510800,CHINA3GUIZHOUCOMMUNICATIONPLANNINGANDPROSPECTINGDESIGNINGACADEMY,GUIYANG550001,CHINAABSTRACTTHETYPICALAPPLICATIONSCHEMESOFGEOSYNTHETICSINHIGHWAYDRAINAGEENGINEERINGINCLUDINGUN2DERGROUNDDRAINAGE,RETAININGWALLDRAINAGE,MEDIANSEPARATORDRAINAGE,EDGEDRAINAGEANDSLOPEDRAIN2AGEARESUMMARIZEDTHEPHYSIC,HYDRAULICANDMECHANICPERFORMANCEOFSEVERALREPRESENTATIONALGEOSYN2THETICSARETESTEDINABUNDANTINDOOREXPERIMENTSANDTHETESTINGMETHODSAREESTIMATEDANDEMENDEDWITHSOMENEWINDEXESBASEDONALLTHESECONCLUSIONSANDOTHERDOMESTICANDOVERSEASRESEARCHRESULTS,NEWDESIGNCRITERIAANDMETHODSFORAPPLICATIONOFGEOSYNTHETICSINHIGHWAYDRAINAGEENGINEERINGAREMADETHECLASSIFICATIONMETHODFORAPPLICATIONOFGEOSYNTHETICSINHIGHWAYWATERTIGHTANDDRAINAGEENGINEERINGWASESTABLISHEDKEYWORDSHIGHWAYENGINEERINGGEOSYNTHETICSDRAINAGEINDOOREXPERIMENTDESIGNCRITERION土工合成材料已在国内的众多工程中加以应用,其作用包括排水、防渗、反滤、隔离、加筋与防护六个方面其中,反滤、防渗、排水的作用在公路工程中尤为突出1但是,目前公路排水设计中的土工合成材收稿日期20040928基金项目西部交通科技项目200131800030上海市重点学科建设基金资助项目作者简介刘建华1978,男,湖北大冶人,博士生E2MAILLIUJIANHUASEA163COM第4期刘建华,等公路排水设计中的土工合成材料应用技术485料应用技术设计标准与方法主要还是参照其他行业的规范或标准来制定的2,3,其针对性和适用性均有待进一步改进为此,需对土工合成材料在公路排水设计中的应用技术进行全面系统的研究和总结1应用场合与技术要求土工合成材料及以土工合成材料为基材制造的复合土工排水材料的类别越来越多,在公路排水工程中的应用可分为以下几个方面透水与反滤,这是一种综合应用,充分利用透水土工织物的透水性能和反滤性能隔离与防渗,应用上主要发挥土工织物和土工膜的隔离和防渗功能集水与排水,使用土工合成材料,汇集与排出降落、流向路基路面范围内的水总体上,复合土工排水材料在公路排水设施中的应用可用图1表示不同应用场合的技术要求与产品类别可定性地列于表12性能指标测试土工合成材料的性能决定其使用效果,而表征性能的指标是设计中的关键参数为此,一方面要选择合适的指标来反映土工合成材料的性能,另一方面要采用合适的测试方法来评定性能指标参数21土工织物反滤土工织物设计需满足挡土、透水和防淤堵三方面的要求,为此对这三种性能指标及测试方法开展了研究211挡土指标等效孔径目前用于测试土工织物等效孔径O95的方法有多种,尤以干筛法与湿筛法4最常用,其中干筛法被列为公路行业试验标准方法3图1公路排水设施中土工合成材料应用方式APPLICATIONOFGEOSYNTHETICSINHIGHWAYDRAINAGESYSTEMFIG1表1排水设施分类与技术要求TAB1TYPESANDTECHNICALREQUIREMENTOFDRAINAGESYSTEM排水设施类别土工合成材料类别材料水力性能要求土工织物、土工膜、软式透水管、复合排水体集透水、防渗、排水于一体、整体式渗沟土工织物、软式透水管、复合排水体塑料盲沟等渗沟、渗井反滤、透水、排水、防渗地下排水盲沟反滤、透水、排水坡面汇排水隔离层支挡结构集排水中央分隔带及路面边缘排水土工膜、软式透水管、复合排水体塑料盲沟等不透水土工材料,复合土工膜含透水土工织物透水土工织物、软式透水管、复合排水体塑料盲沟等土工织物、土工膜、软式透水管、复合排水体塑料盲沟等透水、反滤、排水防渗、渗水集水、透水、反滤、排水透水、反滤、防渗、排水同济大学学报自然科学版第34卷486通过干筛法与湿筛法的对比试验,分析得出这样的结论干筛法具有直观、方便、简单等优点,但其试验结果的正确性较难保证湿筛法需要洒水,试验操作过程与数据分析工作都较复杂,但其试验结果成功率高利用湿筛法测土工织物的等效孔径是一种可行的方法土工织物等效孔径可从概率论的角度来理解一般认为土工织物的孔径分布符合正态分布规图3某土工织物多层渗透试验结果FIG3RESULTOFMULTI2FILTERTESTFORGEOTEXTILE律1通过湿筛法确定的O和O分别表示具有3同时采用土工织物渗透试验得到的参数KG和B作为表征其渗透性能的指标参数更合理、更可靠95595置信率的最大孔径OMAX和最小孔径OMIN土工织物孔径O满足正态分布N,2,为均值,为均方差那么根据正态分布概率函数理论可计算得到53规范取值方法得到的值与参数K接近G213淤堵性能目前对土工织物淤堵的判断采用的是梯度比准则2,但是,许多学者持怀疑意见6为此,这里从理论上对淤堵试验适用条件进行分析淤堵试验中水是垂直通过土工织物与土这两层介质的将土工织物渗透系数、土渗透系数与系统渗透系数分别记为KG,KS和KSG土体、土工织物厚度分别为HS和HG各测压管距离如图4所示这里不妨将淤堵试验中土体分为三个土层,分别记为,土与土工织物系统在渗流过程中有可能在,土层以及土工织物等位置产生淤堵根据多层介质渗透理论及细颗粒在多孔介质中的迁移理论推导得到了淤堵试验判断土工织物发生淤堵的条件,也即淤堵试验的适用前提公式如下OMAXOMIN/329120KGKG025HSHGKG式中KSI,KSII分别为,土层的渗透系数KSI,KSII分别为,土层渗透系数KSI,KSII的变化量3B/I3KKGE,KG0,B033当I0时,K当I时,KKG通过以上非线性函数对五种土工织物多层渗透试验中渗透系数与水力梯度进行回归拟合,均得到很好的相关系数,如图3所示当I时,渗透系数值与规程取值方法所得结果相近图4淤堵试验计算模型FIG4CALCULATIONMODELFORCLOGGINGTEST第4期刘建华,等公路排水设计中的土工合成材料应用技术487判断淤堵更为简单、可靠的方法是采用系统渗透系数KSG选择不同的土、土工织物及水力梯度来进行淤堵试验,对以上理论分析结果进行了初步验证观察渗透系数KSG的变化规律,采用式3表示的函数进水头损失基于水力学管流理论,采用式5对流量Q与水力梯度I的关系进行分析,均得到很好的拟合结果,如图7所示行非线性回归分析,式中将换成K3当I0时,3KSSG33KSG0当I时,KSGKSG试验结果表明,回归分析均能得到很好的拟合效果图5给出了一组淤堵333试验结果若KSGKK为系统设计渗透系数,则表明该系统满足排水要求否则,则表明该系统产生了不允许的淤堵图6塑料盲沟材压缩试验结果RESULTOFCOMPRESSTESTFORGEOCOMPOSITEDRAINFIG6图5FIG5某组淤堵试验结果RESULTOFCLOGGINGTEST图7塑料盲沟材通水量试验结果RESULTOFDRAINAGETESTFORGEOCOMPOSITEDRAINFIG722土工膜土工膜渗透系数一般在110131109CMS1数量级,防渗效果很好但一旦出现损伤,会导致较大的渗漏量为了分析损伤与渗漏的关系,进行了模拟损伤人为穿孔或切口和压实损伤室内压实试验试验试验研究可以得到以下结论无论哪种损伤方式,作用水头越大,土工膜渗漏量越大压实土和细砂的过程对土工膜没有破损性的损伤,粒径为118MM的碎石压实过程对土工膜也没有造成损伤,而粒径236MM及以上的碎石则随粒径的增大对土工膜的损伤加重23复合排水材料231压缩变形本次试验测试了六种塑料盲沟材截面尺寸变形量、体积孔隙率等随受荷的变化规律,得出了它们的屈服强度力或压强矩形截面塑料盲沟采用压1/25QKI式中,K称为塑料盲沟材的通水能力系数,单位为113S,反映了塑料盲沟材在一定水头差作S或M用下所能通过的流量,其中包含了塑料盲沟材的断面几何特性断面尺寸、面积、形状等及孔隙率等因素的影响,因而可以作为评价塑料盲沟材通水能力的一个综合性的关键指标3设计标准与设计方法基于室内试验的成果,分析了土工合成防排水材料的性能参数之间的相关关系,在国内外相关研究成果及现有的工程应用实例的基础上,提出了土工合成材料应用于公路排水设计中的设计技术标准主要包括反滤、防止静水压力、渗透、淤堵与排水能力几个方面31反滤技术标准1对于连续级配的粗粒土提出如下标准连续级配的粗粒土包括粗砂、中砂6101610261016105610250时采用砂性土细砂中砂,粗砂微小孔径10KS8005012012025小孔径中等孔径粗砂、中砂025大孔径KGKS式中KG为土工织物渗透系数KS为土渗透系数33渗水能力与淤堵9延伸率最大荷载时的延伸率15强度文献2中的CBRCALIFORNIABEARINGRATIO顶破强度要求表3土工膜应用技术分类TAB3APPLICATIONTYPESFORGEOMEMBRANCE建议以淤堵试验中72H的土与土工织物系统渗透系数为技术指标,只要其大于土渗透系数就能满足排水要求即指标分类范围类别适用土的类型KG/CMS11101411011TKS10式中KSG为系统渗透系数KS为土渗透系数T为安全系数,取152534排水体排水能力延伸率15承受最大实际荷载时表4复合排水材料应用分类APPLICATIONTYPESFORGEOCOMPOSITEDRAINTAB4QQD式中Q为实际排水量QD为设计排水量35土工膜静水压力按有关静水压力计算土工膜侧面的静水压力U需满足11指标建议范围/LS1类型适用土的类型小排水量中排水量大排水量黄土、粘性土砂性土粗砂、粗粒土等21K展室内测试研究与理论分析,总结出土工合成材料在公路排水设施中的典型构造形式,确定了关键性能参数指标及相关测试试验方法,提出了新的设计标准和方法,并建立了便于工程设计使用的土工防排水材料应用技术分类方法最终形成了包括排水设施的构造形式、材料的参数指标、测试试验及设计标准等方面的公路工程土工合成材料排水设计方法体系3UMU12式中U为土工膜侧面静水压力U为土工膜允许耐静水压力M为安全系数,取152036设计方法与步骤3土工防排水材料构筑公路防排水设施的设计方法和步骤与传统的防排水设施基本相同4应用技术分类方法参考文献为了便于工程设计选择材料,将土工合成防排水材料进行应用技术分类按土工合成材料在公路排水设施中的应用目的和功能分为反滤、防水和排水三大类,见表24所示土工合成材料工程应用手册编写委员会土工合成材料工程应用手册M2版北京中国建筑工业出版社,2000COMPILECOMMITTEEFORMANUALOFAPPLICATIONFORGEOSYNTHETICSENGI2NEERINGMANUALOFAPPLICATIONFORGEOSYNTHETICSENGINEERINGM2NDEDBEIJINGCONSTRUCTIONINDUSTRYPRESSOFCHINA,2000交通部重庆公路科学研究所JTJ/T01998公路土工合成材料应用技术规范S北京人民交通出版社,1998ACADEMEOFHIGHWAYSCIENCEOFCHONGQINGFORMINISTRYOFCOMMU2NICATIONSJTJ/T01998TECHNICALSPECIFICATIONSFORAPPLICATIONOFGEOSYNTHECTICSINHIGHWAYSBEIJINGCHINACOMMUNICATIONSPRESS,199815结语2本文在综合已有研究成果和应用经验基础上开第4期刘建华,等公路排水设计中的土工合成材料应用技术4893交通部重庆公路科学研究所JTJ/T06098公路土工合成材料试验规程S北京人民交通出版社,1998ACADEMEOFHIG